Gazy cieplarniane: dwutlenek węgla i metan

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Troposfera. Poziom zaawansowany.
dział TROPOSFERA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)

Chociaż to para wodna jest najważniejszym gazem cieplarnianym, to zwykle dwutlenek węgla (CO2) i metan (CH4) trafiają na czołówki gazet. Zawartość tych gazów w powietrzu jest znacznie niższa niż pary wodnej, ale częściowo „zamykają” one małe „okno atmosferyczne”, przez które promieniowanie cieplne może się wydostać w przestrzeń kosmiczną, a ich koncentracja ciągle wzrasta.

1. Pochłanianie promieniowania przez parę wodną i inne gazy cieplarniane.
Objaśnienia: methane – metan, nitrous oxide - podtlenek azotu, ozone – ozon, carbon dioxide – dwutlenek węgla, water vapour – para wodna, total – suma, wavelength – długość fali
Źródło: Climate Website Deutsches Museum

Ryc. 1 pokazuje dlaczego gazy cieplarniane przyczyniają się do powstawania efektu cieplarnianego. Para wodna pochłania promieniowanie podczerwone emitowane przez Ziemię w szerokim zakresie spektrum i w ten sposób „zatrzymuje” ciepło. Dla pewnych zakresów fal pochłanianie jest jednak bardzo małe, nawet bliskie zera, i nazywamy to oknem atmosferycznym. Jednakże w tych właśnie zakresach fal inne gazy cieplarniane jak CO2 czy CH4, ale także podtlenek azotu, ozon i chlorofluorowęglowodory pochłaniają promieniowanie i „zamykają” okna atmosferyczne.

Efekt ich działania jest znacznie większy niż gdyby zamiast tych gazów w atmosferze znajdowało się odpowiednio więcej pary wodnej. Te gazy cieplarniane są dużo bardziej efektywne, dlatego też należy pamiętać, że oceniając wpływ danego gazu na powstawanie efektu cieplarnianego musimy brać pod uwagę tak jego zawartość w atmosferze, jak też jego wydajność w pochłanianiu promieniowania podczerwonego. Wskaźnik GWP (ang. Global Warming Potential) został opracowany aby porównywać zdolność danego gazu cieplarnianego do zatrzymywania ciepła w atmosferze w odniesieniu do dwutlenku węgla (CO2), uznanego w tym wypadku za punkt odniesienia.

Gazy cieplarniane i ich zawartość w powietrzu w 1750 r. (era preindustrialna) oraz w 1998 r., a także przewidywany GWP w ciągu najbliższych 100 lat. Dane z raportu IPCC TAR, 2001 r.:

Gaz cieplarniany zawartość 1750 zawartość 1998 GWP

Gaz cieplarniany

zawartość w 1750 r.

zawartość w 1998 r.

GWP

dwutlenek węgla CO2

280 ppm

365 ppm

1

metan CH4

700 ppb

1745 ppb

23

podtlenek azotu N2O

270 ppb

314 ppb

296

ozon troposf.* O3

25 dobsonów
(10 ppb)

34 dobsonów
(30-40 ppb)

CFC-11 CFCl3

0

268 ppt

4600

CFC-12 CF2Cl2

0

533 ppt

10600

1 DU = 1 dobson = warstwa ozonu o grubości 0,01 mm
*ponieważ ozon nie jest równomiernie rozmieszczony w atmosferze, można podać tylko przybliżoną wartość stosunku zmieszania w ppb dla troposfery

Wzrastające emisje CO2

Dzięki analizom rdzeni lodowych wiemy, że w ciągu ostatnich 400 000 lat koncentracja CO2 w powietrzu zmieniała się od 180 ppm w czasie zlodowaceń do 280 ppm w czasie interglacjałów. Ta tendencja uległa zmianie wraz z początkiem ery przemysłowej i wzrostem wydobycia i zużycia paliw kopalnych (węgiel, ropa naftowa, gaz) jako źródeł energii. Emisje CO2 wzrastały wykładniczo i obecnie zawartość CO2 w atmosferze wynosi 370 ppm. W porównaniu do raczej stabilnej sytuacji w ciągu ostatnich kilku tysięcy lat, wzrost koncentracji CO2 w ciągu ostatnich 200 lat należy ocenić jako bardzo szybki. Został on spowodowany przede wszystkim działalnością człowieka. Emisje jakich substancji najbardziej się do tego przyczyniły?

2. Zmiany zawartości CO2 w powietrzu w ciągu ostatnich 400 000 lat, odtworzone na podstawie analiz rdzeni lodowych ze stacji Vostok.
Objaśnienia: CO2 concentration – koncentracja CO2, age (kyr BP) – tysiące lat temu
źródło: raport IPCC TAR, 2001 r., ryc. 3-2.

Każdego roku kilka miliardów ton węgla (1 Petagram C = PgC = 1x1015 g = miliard ton węgla) jest emitowane do atmosfery wskutek działalności człowieka jako CO2. W latach 80. XX w. było to 5,4 ± 0,3 PgC/rok, w latach 90. XX w. 6,3 ± 0,4 PgC/rok, emisje pochodziły prawie wyłącznie ze spalania paliw kopalnych. Kolejne 1,5 - 2 PgC/rok może pochodzić ze zmian użytkowania ziemi, głównie z pożarów lasów. Mniej wiadomo o tym ile CO2 jest pochłaniane przez środowisko przyrodnicze. Na podstawie badań stężenia CO2 w powietrzu wiadomo, że z tego co jest emitowane tylko około 3,2-3,3 ± 0,1 PgC/rok pozostaje w atmosferze. Pochłanianie przez oceany może osiągać wartość 1-2 PgC /rok. W tym przypadku CO2 jest zamieniane na węglany.

3. Zmiany koncentracji CO2 (w ppm) w ostatnich dekadach. Wzrost CO2 następuje równolegle z nieznacznym spadkiem koncentracji tlenu (O2), zużytego na procesy utleniania.
Objaśnienia: South Pole – biegun południowy, year – rok.
źródło: raport IPCC TAR, ryc. 3-2.

Zakłada się, że roślinność pochłania około 2 PgC/rok. Oznacza to powstawanie dodatkowej biomasy. Zwłaszcza wiązanie CO2 przez rośliny może bardzo się wahać z roku na rok, nawet dwukrotnie, wskutek zmian warunków pogodowych, spowodowanych np. przez El Niño.

4. Bilans CO2 : Szacowane globalne wielkości jego emisji i pochłaniania w latach 80. XX w., w PgC na rok. Spalanie paliw kopalnych i zmiany użytkowania ziemi są głównymi źródłami emisji, zaś roślinność i oceany pochłaniają CO2.
Autor: Anja Kaiser © ESPERE, na podstawie danych z raportu IPCC TAR4, 2007 r

Obieg węgla

Wymiana CO2 między biosferą i atmosferą ma znacznie większy zakres niż to pokazano na ryc. 4. Szacuje się, że każdego roku około 270 PgC rozpuszcza się w wodzie zawartej w liściach lub też jest czasowo zatrzymywane w trakcie tzw. oddychania autotroficznego. Około 60 PgC jest zużywane co roku na wzrost roślin i nazywamy to produkcją pierwotną netto (ang. net primary production, NPP). Jednak z uwagi na to, że naturalny obieg węgla pozostaje w dynamicznej równowadze, cała NPP wraca do atmosfery poprzez heterotroficzne oddychanie organizmów rozkładających materię organiczną oraz poprzez spalanie biomasy. Zawartość CO2 w atmosferze nie powinna zmieniać się znacząco. Ta równowaga została jednak zakłócona przez dodatkowe emisje CO2 wskutek działalności człowieka, jak opisano powyżej.

Źródła emisji metanu

5. a-d) Bakterie produkujące metan można znaleźć w przewodzie pokarmowym przeżuwaczy: krów i owiec
źródło: www.freefoto.com

Metan jest emitowany do atmosfery z pól ryżowych a także bagien i torfowisk.

Zawartość metanu w atmosferze w 1998 r. wynosiła około 1745 ppb. Wynik ten został potwierdzony przez różnych badaczy i jest uznawany za pewny. Natomiast emisje metanu z terenów podmokłych i bagiennych wykazują duże zmiany w czasie, zaś emisje z pól ryżowych zostały prawdopodobnie zawyżone (mogą one wynosić tylko 40 Tg / rok). Zatem udział poszczególnych źródeł w całkowitej emisji nie jest do końca znany. Tabela poniżej prezentuje dane opublikowane przez dwa różne zespoły autorów.

Źródła emisji metanu (roczne globalne emisje):

Źródła (wybrane)

emisje [Tg CH4 / rok]
(Hein i in., 1997)

emisje [Tg CH4 / rok]
(Lelieveld i in., 1998)

bagna i pola ryżowe

325
(237 + 88)

225

produkcja energii

97

110

przeżuwacze

90
(łącznie z utylizacją odchodów)

115

wysypiska śmieci

35

40

spalanie biomasy

40

40

inne

-

(70)

suma

587

600

Około 60% emisji metanu pochodzi z różnych rodzajów działalności ludzkiej jak rolnictwo, spalanie paliw kopalnych i użytkowanie wysypisk śmieci. Wskutek wzrastającego udziału człowieka w emisjach, koncentracja metanu w atmosferze wzrosła ponad dwukrotnie w ciągu ostatnich 1000 lat.

Metan jest rozkładany przede wszystkim w reakcji z OH:
OH + CH4 -> CH3 + H2O

Reakcja ta zachodzi jednak dość wolno, dlatego też metan wyemitowany do atmosfery pozostaje tam zwykle przez 8,4 lat.

6. Zmiany zawartości CH4 w atmosferze (w ppb) określone na podstawie badań rdzeni lodowych, firnu, oraz próbek powietrza, w ostatnich 1000 lat. Skala dla tzw. wymuszania promieniowania (ang. radiative forcing), wzrastającego prawie liniowo od początku ery przemysłowej, jest zaznaczona z prawej strony rysunku.
Źródło: raport IPCC TAR, ryc. 4-1.

Hydraty metanu

Ogromne ilości CH4 (wciąż nie używane wielkie źródło energii) są uwięzione w hydratach metanu, czyli mieszaninie lodu i metanu o konsystencji ciała stałego. Taka substancja może przetrwać bardzo długo w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury, np. na dnie oceanów lub głęboko w ziemi na obszarach wieloletniej zmarzliny. Szacuje się, że złoża te zawierają około 10 000 PgC, czyli dwa razy więcej niż tradycyjne paliwa kopalne (ropa naftowa, gaz, węgiel) dostępne na Ziemi. W ciągu ostatnich 400 000 lat (dane z rdzeni lodowych ze stacji Vostok) złoża te nie były źródłem emisji metanu do atmosfery. Jednakże postępujące ocieplenie może spowodować topienie się hydratów metanu w przyszłych stuleciach, co spowoduje dodatkową emisję metanu do atmosfery i nasilenie się efektu cieplarnianego.

7. W czasie topienia się hydratów metanu uwolniony metan spala się, a lód zamienia w wodę.
© GEOMAR 2002

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr. Benedikt Steil - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02, Yvonne Schleicher - Uni Erlangen
Ostatnia aktualizacja: 2008-10-09
Tłumaczenie na język polski: dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Ostatnia modyfikacja: czwartek, 21 czerwiec 2018, 14:45